JP4437430B2 - 円すい面形状測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、転がり軸受の軌道面などの円すい面の形状を測定する円すい面形状測定装置に関する。

一般的な立体形状を測定する装置として三次元形状測定装置がある。この測定装置は転がり軸受の軌道面などの円すい面の形状の測定にも利用されている。上記三次元形状測定装置では、１個の触針を直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に高精度で移動させて被測定物の形状を測定する。この三次元形状測定装置の代表的な構造として、被測定物を設置した定盤の上方に設けられて水平方向に互いに直交する方向に移動するＸ−Ｙステージと、このＸ−Ｙステージ上に設けられ水平方向と直交するＺ方向に移動するＺステージと、このＺステージに取付けられた触針とからなるものがある（例えば特許文献１）。
特開平１０−１０３９４５号公報

三次元形状測定装置では、直交する３軸の直角度ならびに各軸の真直度が立体の形状測定精度を決定することから、触針の３軸方向への移動精度を向上させることが最も重要な技術課題となる。上記移動精度を向上させるためには、測定装置の剛性を確保する必要があるため、装置が大きくなってしまう。特に、被測定物の上方において、水平方向で互いに直交するＸ，Ｙ軸に沿ってＸ−Ｙステージを移動させる構成の場合には、その移動に伴い装置の重心位置が変化して装置に撓みが発生するので、この撓みを低減する対策として大きな定盤を設ける必要がある。
装置の小型化を図るために、特許文献１の測定装置では、触針を下方からＸ−Ｚ−Ｙの各軸方向に移動させる機構とされている。しかし、このような構成では、触針が被測定物を跨ぐことができないために、被測定物の全体にわたって形状を測定できないという問題がある。

触針の３軸への移動精度を確保し、かつ装置を小さくするには、測定中に移動する軸の数を少なくすれば良い。このような構成とした代表的な測定装置の一例として、真円度測定機がある。このような構成の真円度測定機では、断面が円形の被測定物に対して触針を接触させ、回転スピンドルを精度良く回転させることで被測定物の円周方向の形状を測定できるが、軸方向に形状の変化が大きい被測定物の三次元形状を測定する場合には、多くの軸方向断面の形状の想定データが必要になり、測定に時間がかかるという問題がある。

この発明の目的は、測定子の移動精度を容易に確保でき、高精度な３次元形状の測定を可能としながら、コストの低減が可能な円すい面形状測定装置を提供することである。

この発明の円すい面形状測定装置は、円すい面形状を有する被測定物を、その円すい面の中心軸が回転中心に一致するように支持するターンテーブルと、被測定物の表面に接触または近接して被測定物表面の変位を測定可能な測定子と、上記ターンテーブルに支持された被測定物の円すい面の母線と平行に上記測定子を移動させる測定子移動機構とを備えたものである。
この構成によると、被測定物の円すい面の母線と平行に測定子を移動させる測定子移動機構を設けたため、測定時の測定子の移動が１軸となり、移動精度を容易に確保できる。また、測定装置の測定範囲を狭く設定できることから、分解能が向上する。測定子の移動は１軸であるが、被測定物をターンテーブルにより任意の角度に回転させ、任意の軸方向断面の形状を測定することができる。そのため、被測定物の円すい面全体の３次元形状が測定できる。
この円すい面形状測定装置を用いて、校正用対象物と被測定物とを測定し、両者の測定データの相対比較を行うことで、被測定物の絶対寸法を測定しても良い。これにより、円すい面の母線形状がより容易に測定できる。

この発明において、上記測定子移動機構が、上記測定子が取付けられたスライド体を、直動型の静圧空気軸受で進退自在に支持するエアースライド装置を有するものであっても良い。静圧空気軸受は、高精度に移動支持できる軸受であるため、測定子の移動を高精度に案内でき、より精度良く測定することができる。

上記測定子移動機構が、上記ターンテーブルの設置された基台に、上記ターンテーブルの回転中心に対して直交する方向に進退自在に設置された径方向移動体と、この径方向移動体に、ターンテーブルの回転中心を含みかつ上記径方向移動体の進退方向に沿う平面に対して垂直な軸心回りに傾斜角度変更自在に支持された傾動体と、この傾動体に直線方向に進退自在に支持されて上記測定子が取付けられたスライド体と、このスライド体を進退させるスライド駆動源とを有し、上記測定子の移動方向を被測定物の円すい面の母線方向と平行な方向として上記測定子を上記スライド駆動源により移動させることが可能であるものである。
この構成の場合、径方向移動体の進退位置の調整によって、被測定物の円すい面の半径の違いに対応でき、かつ傾動体の傾斜角度の調整によって、被測定物の円すい面の傾斜角度に応じて測定子のスライドする方向を調整することができる。そのため、種々の径、および種々の傾斜角度の円すい面の測定が行える。径方向移動体の進退、および傾動体の傾動動作は、駆動源を用いて行うようにしても、また作業者が手で移動させて調整し、その調整位置を保って測定を行うようにしても良い。

上記ターンテーブルは、静圧空気軸受で回転自在に支持しても良い。静圧空気軸受は、高精度に回転支持できるため、ターンテーブルの振れ精度を向上させることができる。したがって被測定物の回転の触れ精度が高く、円すい面における任意周方向位置の母線形状を高精度に測定できる。

この発明において、上記ターンテーブルを割出回転させるスピンドル装置と、このスピンドル装置および上記測定子移動機構を制御する測定制御手段と、上記測定子の測定結果を処理する測定結果処理手段とを備えるものとしても良い。その場合に、上記測定制御手段は、上記ターンテーブルを３箇所以上の割出角度で停止させ、各停止角度において上記測定子移動機構に上記測定子を被測定物の円すい面の母線と平行に移動させる動作を行わせるものとし、上記測定結果処理手段は、上記各停止角度において測定した測定データから被測定物の円すい面の３次元形状を算出するものとしても良い。
この構成の場合、被測定物を３箇所以上の任意の回転角度に割出回転させて、各割出角度での軸方向断面の形状を測定することで、被測定物の円すい面全体の３次元形状を容易に測定できる。

さらに、これらの発明において、上記測定子で測定した被測定物の円すい面の母線形状を設計形状と重ねて描画する重ね描画手段を設けても良い。
両形状を重ねて描画することで、円すい面の品質管理を行うときに、直観的に形状の崩れを理解することができる。

この発明の円すい面形状測定装置は、円すい面形状を有する被測定物を、その円すい面の中心軸が回転中心に一致するように支持するターンテーブルと、被測定物の表面に接触または近接して被測定物表面の変位を測定可能な測定子と、上記ターンテーブルに支持された被測定物の円すい面の母線と平行に上記測定子を移動させる測定子移動機構とを備えるものとした。さらに、上記測定子移動機構が、上記ターンテーブルの設置された基台に、上記ターンテーブルの回転中心に対して直交する方向に進退自在に設置された径方向移動体と、この径方向移動体に、上記ターンテーブルの回転中心を含みかつ上記径方向移動体の進退方向に沿う平面に対して垂直な軸心回りに傾斜角度変更自在に支持された傾動体と、この傾動体に直線方向に進退自在に支持されて上記測定子が取付けられたスライド体と、このスライド体を進退させるスライド駆動源とを有し、上記測定子の移動方向を被測定物の円すい面の母線方向と平行な方向として上記測定子を上記スライド駆動源により移動させることが可能であるものとしたため、触針の移動精度を容易に確保でき、高精度な３次元形状の測定を可能としながら、コストの低減が可能となる。

この発明の一実施形態を図１〜図８と共に説明する。図２は、この円すい面形状測定装置の概略構成を示す正面図である。この円すい面形状測定装置は、円すい面形状を有する被測定物Ｗを支持するターンテーブル１と、被測定物Ｗの表面に接触または近接して被測定物表面の変位を測定可能な測定子２と、上記ターンテーブル１に支持された被測定物Ｗの円すい面の母線と平行に上記測定子２を移動させる測定子移動機構３を備える。被測定物Ｗは例えば円すいころ軸受の内輪であり、その場合、円すい面は内輪の軌道面である。ターンテーブル１は、被測定物Ｗをその円すい面の中心軸（被測定物Ｗが円すいころ軸受内輪である場合、内輪の軸心）が回転中心（θ軸）に一致するように支持する。ターンテーブル１は、基台４上に基台上面と平行となるように、すなわちターンテーブル１の回転中心（θ軸）が基台４に対して垂直姿勢となるように設置されている。

上記測定子２は電気マイクロメータの触針からなるが、非接触式の変位計を用いても良い。上記測定子移動機構３は、測定子２が取付けられたスライド体６を、直動型の静圧空気軸受７で進退自在に支持するエアースライド装置５を有する。また、上記測定子移動機構３には、上記ターンテーブル１の設置された基台４上に、支持架台８を介して、ターンテーブル１の回転中心（θ軸）に対して直交する所定方向（Ｘ軸方向：図２において紙面の左右方向）に進退自在に設置された径方向移動体９を有する。この径方向移動体９に、ターンテーブル１の回転中心を含みかつ径方向移動体９の進退方向（Ｘ軸方向）に沿う平面（ここでは図２の紙面と平行な面）に対して垂直な軸心Ｏ（Ａ軸）回りに傾斜角度変更自在に支持された傾動体１０と、上記スライド体６を進退駆動させるスライド駆動源１１とが設置される。上記傾動体１０には、上記エアースライド装置５が搭載され、そのスライド体６が傾動体１０に対して所定の直線方向に進退自在に支持されている。スライド駆動源１１は、径方向移動体９上にガイドレール１５でＸ軸方向に移動自在にガイドされる移動ナット１２と、この移動ナット１２に螺合するボールねじ１３と、上記径方向移動体９に設置され上記ボールねじ１３を回転駆動するモータ１４と、ワイヤ１７とで構成される。ワイヤ１７は、静圧空気軸受７に設けられたガイドローラ１６に掛装され、上記移動ナット１２とスライド体６の先端部とに連結される。

径方向移動体９には、上記傾動体１０をＡ軸回りに旋回させる旋回駆動源２１が設置される。この旋回駆動源２１は、移動ナット２２と、この移動ナット２２に螺合するボールねじ２３と、このボールねじ２３を回転駆動するモータ２４と、上記移動ナット２２の進退動作を傾動体１０の旋回動作に変換するリンク機構２５とで構成される。傾動体１０の旋回量およびスライド体６の進退量は、図示しないロータリエンコーダやリニアスケール等の計測手段で計測される。

径方向移動体９は、支持架台８上のガイドレール２６に沿ってＸ軸方向に進退自在に設置され、進退駆動源２７によって進退駆動される。進退駆動源２７は、径方向移動体９に螺合するボールねじ２８と、支持架台８上に設けられ上記ボールねじ２８を回転駆動するモータ２９とで構成される。この径方向移動体９の進退量もリニアスケールまたはロータリエンコーダ等の計測手段で計測される。

図４は上記測定子移動機構３におけるエアースライド装置５の外観斜視図を、図５はその一部を破断した平面図をそれぞれ示す。スライド体６は角柱体からなり、角筒状の静圧空気軸受７の軸受本体７ａ内を貫通して進退自在に軸受本体７ａに支持されている。軸受本体７ａは、その内面に開口する複数のノズル３０を有し、これらノズル３０に連通する図示しない給気路から圧縮空気が圧送される。各ノズル３０から噴出した圧縮空気によって軸受本体７ａとスライド体６との間の軸受隙間に生じた静圧により、スライド体６は静圧空気軸受７の軸受本体７ａ内に進退自在に支持される。これにより、測定子２の移動が高精度に案内される。

ターンテーブル１は、図２のように静圧空気軸受３１を介して回転自在に基台４上に支持されている。図６に断面図で示すように、静圧空気軸受３１はその軸受本体３２に、スピンドル装置３６のスピンドル３７が貫通する軸孔３３と、この軸孔３３に開口する複数のノズル３４ａと、軸孔３３の下部の拡径空間部３３ａに開口する複数のノズル３４ｂと、軸受本体３２の上面に開口する複数のノズル３４ｃとを有する。これらノズル３４ａ〜３４ｃに給気路３５から圧縮空気が圧送される。
ターンテーブル１はスピンドル装置３６のスピンドル３７に連結され、スピンドル３７の下部には上記拡径空間部３３ａに張り出すフランジ部３７ａが設けられる。各ノズル３４ａ〜３４ｃから噴出する圧縮空気により、ターンテーブル１を支持するスピンドル３７が軸受本体３２に対して回転自在でかつ非接触状態に支持される。軸孔３３の拡径空間部３３ａにはスピンドル装置３６の回転駆動源であるモータ３８が配置される。モータ３８は、スピンドル３７の下端に設けられたロータ３９と、拡径空間部３３ａの内壁に設けられたステータ４０とで構成される。モータ３８でスピンドル３７を回転駆動することにより、ターンテーブル１の割出回転が行われる。その回転量はロータリエンコーダで計測される。このように、ターンテーブル１は静圧空気軸受３１で支持することで振れ精度を向上させることができる。例えば、端面触れを２μｍ以下とすることも可能である。なお、ターンテーブル１は、静圧空気軸受に限らず、転がり軸受や動圧軸受で支持するようにしてもよい。

図２において、上記スライド駆動源１１、旋回駆動源２１、進退駆動源２７は、その構成部材の一部にボールねじ１３，２３，２８を用いているが、ボールねじに代えてリニアモータなどを用いてもよい。

図１は、この円すい面形状測定装置の制御系を示す。この円すい面形状測定装置は、測定機制御装置４１、測定結果処理装置４２および表示装置４３を備える。測定機制御装置４１は、上記スピンドル装置３６および測定子移動機構３を制御する測定制御手段４４を有する。この測定制御手段４４は、上記ターンテーブル１を３箇所以上の割出角度で停止させ、各停止角度において測定子移動機構３に、測定子２を被測定物Ｗの円すい面の母線と平行に移動させる動作を行わせるものである。測定結果処理装置４２は例えばコンピュータからなり、上記測定子２の測定結果を処理する測定結果処理手段４５と、重ね描画手段４６とを有する。測定結果処理手段４５は、ターンテーブル１の上記各停止角度において測定した測定データから、被測定物Ｗの円すい面の３次元形状を算出するものである。重ね描画手段４６は、上記測定子２で測定した被測定物Ｗの円すい面の母線形状を設計形状と重ねて描画するものである。その描画は上記表示装置４３で表示される。

次に、上記構成の円すい面形状測定装置により被測定物Ｗの円すい面を測定する手順を説明する。ここでは、被測定物Ｗとして円すいころ軸受の内輪を用い、その軌道面を測定対象の円すい面とする。
被測定物Ｗの測定に先立ち、被測定物Ｗに模して形成されて予め直径寸法および円すい角度の知られている校正用対象物を、ターンテーブル１の上にセットし、ターンテーブル１の回転中心（θ軸）に対して校正用対象物の心出し（校正用対象物の中心をターンテーブル１の回転中心に位置合わせ）を行う。

ついで、進退駆動源２７による径方向移動体９のＸ軸方向への移動と、旋回駆動源２１による傾動体１０の傾斜角度変更（Ａ軸回りの旋回）により、測定子２が取付けられたスライド体６を校正用対象物の設計上の円すい角の約１／２の角度に傾けると共に、測定子２を校正用対象物の円すい面に押し付ける。この状態で、スライド駆動源１１によるスライド体６の進退動作で、測定子２を校正用対象物の円すい面に沿ってその母線と平行な方向に移動させる。この移動の間に、スライド体６に取付けられたスケール（図示せず）の位置信号と、この信号に対応した位置での測定子２の出力電圧とを、測定結果処理装置４２に取り込む。このような測定を、ターンテーブル１を所定角度だけ３回以上割出回転させて行い、各停止角度での校正用対象物の円すい面の母線形状、つまり軸方向断面形状を求める。割出回転の停止位置、つまり母線形状を測定する位置は、円周方向の等間隔の位置が好ましい。

校正用対象物の測定に続いて、同一測定条件で被測定物Ｗを図７のように３回以上測定し、ターンテーブル１の各停止角度での円すい面の母線形状を測定結果処理装置４２に取り込む。測定位置は、校正用対象物の場合と同じく、円周方向の等間隔の位置とする。図３は、被測定物Ｗの円すい面母線に沿って測定子２を移動させる動作を示す。図１の測定結果処理装置４２の測定結果処理手段４５は、校正用対象物の３次元形状測定データ（θ，Ｖ）と、被測定物Ｗの３次元形状測定データ（θ，Ｖ）の差分を求め、その差分と、校正用対象物の直径および円すい角度とから、被測定物Ｗの円すい面の３次元形状を算出する。また、測定結果処理装置４２の重ね描画手段４６は、同図に示すように、測定子２で測定した被測定物Ｗの円すい面の母線形状を示す線ａを、設計形状（校正用対象物の円すい面の母線形状）を示す線ｂと重ねて表示装置４３の画面に表示させる。

この円すい面形状測定装置によると、測定時の測定子２の移動を１軸とできるので、その移動精度を容易に確保でき、コストの低減が可能となる。また、測定装置の測定範囲を狭く設定できることから、分解能が向上する。また、ターンテーブル１の回転により、被測定物を３箇所以上の任意の回転角度に割出回転させて、各割出角度での軸方向断面の形状を測定するようにしているので、被測定物Ｗの円すい面全体の３次元形状を容易に測定できる。

この実施形態で被測定物Ｗとした円すいころ軸受内輪の軌道面（円すい面）は、一般的な製造方法では、研削盤を用いて内輪の端面を基準として加工される。研削盤のバッキングプレートの振れが大きいと、内輪の円すい面の端面に対する直角度が崩れるため、バッキングプレートの振れが管理されている。したがって、上記円すい面形状測定装置におけるターンテーブル１の上面の振れが大きいと、円すい面の加工の基準面に対する直角度として測定される。幾何学的な関係から円すい面の直径と直角度誤差に及ぼす振れの影響を算出した結果を図８に示す。同図より、円すい面の直径が１０ｍｍ以上では、ターンテーブル１の端面振れを２μｍ以下とすることで、円すい面と内輪の端面の直角度誤差が０．００８度以下（２８秒以下）と小さくなって、無視できることがわかる。

校正用対象物並びに被測定物Ｗをターンテーブル１上にセットする場合、校正用対象物並びに被測定物Ｗの円すい面中心と、ターンテーブル１の回転中心（θ軸）との間には芯ずれが発生する。このような芯出しは一般に時間のかかる作業であり、また完全に芯を合わせることはできない。しかし、この実施形態の円すい面形状測定装置では、上述したように校正用対象物並びに被測定物Ｗを、その円周上の３箇所以上の位置で軸方向断面形状（円すい面の母線形状）を測定するようにしているので、円すい面の中心とターンテーブル１の回転中心（θ軸）の偏芯ベクトルを算出することができる。

また、この実施形態の円すい面形状測定装置では、測定した被測定物Ｗの円すい面の母線形状を、設計の形状（校正用対象物の円すい面の母線形状）と比較できるように、両形状を表示装置４３の画面上で重ねて描画する。これにより、円すい面の品質管理を行う場合に、直観的に形状の崩れを理解することができる。また、円すい角度の算出、直径の算出、設計の形状と被測定物Ｗの形状の差の算出なども可能であり、算出値の統計処理やデータベース化を行い、製造現場の品質管理に使用することもできる。

このように、端面触れを２μｍ以下としたターンテーブル１の上に、円すい面の中心軸と直交する平面を設置した被測定物Ｗの円すい面に対して、その円すい面の母線と平行に測定子２をエアースライド装置５で移動させ、複数の任意の軸方向断面の円すい面形状を測定する機構としたため、容易に高精度な円すい面形状が測定できる。

なお、上記の説明では、被測定物の外径面となる円すい面を測定する場合につき説明したが、この実施形態の円すい面形状測定装置を含めて、この発明の円すい面形状測定装置は、被測定物の内径面となる円すい面の測定も可能である。例えば、円すいころ軸受における外輪の内径の軌道面を測定することも可能である。

この発明の一実施形態にかかる円すい面形状測定装置の概略構成を示す模式図である。 同測定装置の概略構成を示す正面図である。 被測定物の円すい面母線に沿って測定子を移動させる動作を示す説明図である。 エアースライド装置の外観斜視図である。 同エアースライド装置の一部破断平面図である。 ターンテーブルを支持する静圧空気軸受の断面図である。 被測定物の各割出角度での円すい面の３次元形状を測定する動作説明図である。 被測定物の基準面と円すい面の角度誤差の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…ターンテーブル
２…測定子
３…測定子移動機構
４…基台
５…エアースライド装置
６…スライド体
７…静圧空気軸受
９…径方向移動体
１０…傾動体
１１…スライド駆動源
３１…静圧空気軸受
３６…スピンドル装置
４４…測定制御手段
４５…測定結果処理手段
４６…重ね描画手段
Ｗ…被測定物

Claims (5)

1. 円すい面形状を有する被測定物を、その円すい面の中心軸が回転中心に一致するように支持するターンテーブルと、被測定物の表面に接触または近接して被測定物表面の変位を測定可能な測定子と、上記ターンテーブルに支持された被測定物の円すい面の母線と平行に上記測定子を移動させる測定子移動機構とを備え、
   上記測定子移動機構が、
   上記ターンテーブルの設置された基台に、上記ターンテーブルの回転中心に対して直交する方向に進退自在に設置された径方向移動体と、
   この径方向移動体に、上記ターンテーブルの回転中心を含みかつ上記径方向移動体の進退方向に沿う平面に対して垂直な軸心回りに傾斜角度変更自在に支持された傾動体と、
   この傾動体に直線方向に進退自在に支持されて上記測定子が取付けられたスライド体と、
   このスライド体を進退させるスライド駆動源とを有し、
   上記測定子の移動方向を被測定物の円すい面の母線方向と平行な方向として上記測定子を上記スライド駆動源により移動させることが可能である円すい面形状測定装置。
2. 請求項１において、上記測定子移動機構が、上記測定子が取付けられたスライド体を、直動型の静圧空気軸受で進退自在に支持するエアースライド装置を有するものである円すい面形状測定装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記ターンテーブルを静圧空気軸受で回転自在に支持した円すい面形状測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記ターンテーブルを割出回転させるスピンドル装置と、このスピンドル装置および上記測定子移動機構を制御する測定制御手段と、上記測定子の測定結果を処理する測定結果処理手段とを備え、上記測定制御手段は、上記ターンテーブルを３箇所以上の割出角度で停止させ、各停止角度において上記測定子移動機構に上記測定子を被測定物の円すい面の母線と平行に移動させる動作を行わせるものとし、上記測定結果処理手段は、上記各停止角度において測定した測定データから被測定物の円すい面の３次元形状を算出するものとした円すい面形状測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記測定子で測定した被測定物の円すい面の母線形状を設計形状と重ねて描画する重ね描画手段を設けた円すい面形状測定装置。

Images